一種太陽能動力發(fā)電及熱水系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種太陽能動力發(fā)電及熱水系統(tǒng)，它包括聚光鏡、斯特林發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、螺旋金屬管和保溫儲水箱，所述聚光鏡、斯特林發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)通過支撐板連接后再通過立柱連接在底座上，斯特林發(fā)動機(jī)的熱腔位于聚光鏡的焦點附近，設(shè)置在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中心軸兩端的曲柄相位相差90°，且分別通過連桿與斯特林發(fā)動機(jī)冷腔內(nèi)的動力活塞和熱腔內(nèi)的配氣活塞連接，所述螺旋金屬管焊接在冷腔外部，其兩端管道分別通過保溫儲水箱底部的冷水電磁閥和熱水電磁閥與保溫儲水箱連通。本發(fā)明既能利用太陽能發(fā)電，又可制備生活熱水，提高了設(shè)備的利用率；同時由于熱水制備系統(tǒng)增加了斯特林發(fā)動機(jī)冷腔與熱腔之間的溫度差，還使發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換率大幅提高，從而避免了資源的浪費。
【專利說明】一種太陽能動力發(fā)電及熱水系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用太陽能發(fā)電和制備生活熱水的裝置，屬于太陽能應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能是一種清潔、高效和永不衰竭的綠色能源。其開發(fā)利用是解決常規(guī)能源(特別是化石能源)短缺、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等問題的有效途徑之一。目前，人類雖然已經(jīng)采用了多種方式對太陽能加以利用，但這些方式大都是單純的太陽能發(fā)電或太陽能熱水，缺乏綜合利用太陽能的家庭應(yīng)用方法。如太陽能熱水器雖在家庭中得到一定的程度的使用，但僅作為一個獨立的部分實施。這樣不僅會降低設(shè)備的利用率，造成重復(fù)投資，而且不利于提高能源的轉(zhuǎn)化率。例如光伏發(fā)電設(shè)備的光電轉(zhuǎn)化率一般都在8% —15%左右，而目前應(yīng)用較多的太陽能槽式、塔式光熱發(fā)電，其光電轉(zhuǎn)化率只有10%左右，造成了能源的巨大浪費。
[0003]此外，光伏發(fā)電設(shè)備的生產(chǎn)過程本身是一個高污染、高排放、高耗能的過程，成本回收周期較長；太陽能光熱發(fā)電設(shè)備的建設(shè)規(guī)模大，費用高，不適合家庭使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)之弊端，提供一種太陽能動力發(fā)電及熱水系統(tǒng)，以提高設(shè)備的利用率和太陽能的轉(zhuǎn)化率，避免重復(fù)投資和資源浪費。
[0005]本發(fā)明所述問題是以下述技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種太陽能動力發(fā)電及熱水系統(tǒng)，構(gòu)成中包括聚光鏡、斯特林發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、螺旋金屬管和保溫儲水箱，所述聚光鏡、斯特林發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)通過支撐板連接后再通過立柱連接在底座上，斯特林發(fā)動機(jī)的熱腔位于聚光鏡的焦點附近，設(shè)置在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中心軸兩端的曲柄相位相差90°，且分別通過連桿與斯特林發(fā)動機(jī)冷腔內(nèi)的動力活塞和熱腔內(nèi)的配氣活塞連接，所述螺旋金屬管環(huán)繞并焊接在冷腔外部，其兩端管道分別通過保溫儲水箱底部的冷水電磁閥和熱水電磁閥與保溫儲水箱連通。
[0006]上述太陽能動力發(fā)電及熱水系統(tǒng)，所述聚光鏡包括拋物面主反射鏡和副反射鏡，所述拋物面主反射鏡通過支撐板與斯特林發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)固定在一起，所述副反射鏡通過支架固定在拋物面主反射鏡的焦點附近并將拋物面主反射鏡聚集的太陽光進(jìn)一步聚集并反射到斯特林發(fā)動機(jī)的熱腔底部。
[0007]上述太陽能動力發(fā)電及熱水系統(tǒng)，所述保溫儲水箱的下部設(shè)置有上水電磁閥、手動放水閥和泄壓電磁閥，保溫儲水箱通過上水電磁閥與水源連接并通過手動放水閥向外供應(yīng)生活熱水，所述泄壓電磁閥的一端接在螺旋金屬管與熱水電磁閥之間的管路上，另一端與大氣相通。
[0008]上述太陽能動力發(fā)電及熱水系統(tǒng)，所述保溫儲水箱的上部設(shè)置有通氣口，內(nèi)部設(shè)置有水溫傳感器和水位傳感器，所述水溫傳感器安裝在保溫儲水箱內(nèi)壁的下部，所述水位傳感器安裝在保溫儲水箱內(nèi)壁的上部。[0009]上述太陽能動力發(fā)電及熱水系統(tǒng)，構(gòu)成中還包括太陽光自動跟蹤裝置，所述太陽光自動跟蹤裝置包括聚光鏡水平轉(zhuǎn)角控制裝置和聚光鏡仰角控制裝置，所述聚光鏡水平轉(zhuǎn)角控制裝置安裝在立柱與底座之間，所述聚光鏡仰角控制裝置安裝在立柱與支撐板之間。
[0010]上述太陽能動力發(fā)電及熱水系統(tǒng)，構(gòu)成中還包括蓄電池、直流變換器和啟動繼電器，所述直流變換器的輸入端經(jīng)啟動繼電器的常閉觸點接發(fā)電機(jī)的輸出端，其輸出端給蓄電池充電，所述蓄電池的正極和負(fù)極分別經(jīng)啟動繼電器的兩個常開觸點與發(fā)電機(jī)的正極和負(fù)極連接，啟動繼電器控制發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)。
[0011]上述太陽能動力發(fā)電及熱水系統(tǒng)，所述斯特林發(fā)動機(jī)的熱腔的外部包覆有耐高溫
保溫層。
[0012]本發(fā)明將太陽能發(fā)電系統(tǒng)和熱水制備系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起，既能利用太陽能發(fā)電，又可制備生活熱水，提高了設(shè)備的利用率。同時由于熱水制備系統(tǒng)增加了斯特林發(fā)動機(jī)熱腔與冷腔之間的溫度差，還使得發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換率大幅提高，從而避免了資源的浪費。
[0013]本裝置利用聚光鏡直接加熱斯特林發(fā)動機(jī)的熱腔，再利用斯特林發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同時也充當(dāng)斯特林發(fā)動機(jī)的慣性飛輪，由于省去了中間傳遞機(jī)構(gòu)，因此本發(fā)明能夠獲得較高的光電轉(zhuǎn)化效率。
[0014]太陽光自動跟蹤裝置可使聚光鏡始終對準(zhǔn)太陽，提高太陽能的接收率。
[0015]本裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，安裝方便，便于推廣等優(yōu)點，特別適合家庭使用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。
[0017]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的啟動電路原理圖。
[0018]圖3是本發(fā)明的程序流程圖。
[0019]圖中各標(biāo)號清單為:1、拋物面主反射鏡，2、副反射鏡，3、熱腔，4、耐高溫保溫層，5、配氣活塞，6、冷腔，7、動力活塞，8、螺旋金屬管，9、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，10、發(fā)電機(jī)定子，11、保溫儲水箱，12、水溫傳感器，13、水位傳感器，14、通氣口，15、聚光鏡仰角控制裝置，16、曲柄，17、立柱，18、支撐板，19、聚光鏡水平轉(zhuǎn)角控制裝置，20、底座，V1、上水電磁閥，V2、冷水電磁閥，V3、熱水電磁閥，V4、泄壓電磁閥，V5、手動放水閥，DC/DC、直流變換器，M、發(fā)電機(jī)，KMl、啟動繼電器的常閉觸點，KM2-1、啟動繼電器的第一常開觸點，KM2-2、啟動繼電器的第二常開觸點，B、蓄電池。
【具體實施方式】
[0020]本發(fā)明是適于家庭使用的利用太陽能同時發(fā)電與熱水的裝置，它利用太陽能集熱系統(tǒng)集熱，即將太陽光通過兩次反射最后集中并直接加熱斯特林發(fā)動機(jī)的熱腔，使工質(zhì)膨脹；設(shè)計中同時采用在冷腔外部實施水冷的方法給斯特林發(fā)動機(jī)的冷腔適度冷卻，加大冷熱腔的溫差，提高斯特林發(fā)動機(jī)的熱轉(zhuǎn)化效率，再利用斯特林發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的高速旋轉(zhuǎn)運動直接驅(qū)動直流發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換后以穩(wěn)定的電壓給蓄電池充電，實現(xiàn)電能的存儲。冷腔在被水冷的同時，其高溫余熱加熱螺旋金屬管中的水，使水順著管道進(jìn)入保溫儲水箱中，水不斷循環(huán)使保溫儲水箱中的水被加熱，以提供生活熱水。系統(tǒng)利用太陽光自動跟蹤裝置保證聚光鏡時時高效接收太陽光能，提高太陽能接收率；由蓄電池、啟動繼電器的控制實現(xiàn)對斯特林發(fā)動機(jī)的啟動供電(發(fā)電機(jī)工作在電動機(jī)狀態(tài))、對太陽光自動跟蹤裝置的供電和對保溫儲水箱管道上各個電磁閥的供斷電；家庭使用時，蓄電池可直接供電或配合逆變器實現(xiàn)交流220V交流供電。
[0021]本裝置利用太陽能斯特林光熱發(fā)電系統(tǒng)與太陽能熱水器組成發(fā)電熱水綜合系統(tǒng)，能降低應(yīng)用成本，提高能源利用率，適于家庭使用，尤其適于在缺電的偏遠(yuǎn)山區(qū)、牧區(qū)、農(nóng)村、海島等生活環(huán)境中應(yīng)用，能同時解決偏遠(yuǎn)地區(qū)電力需求問題以及生活熱水問題。
[0022]參看圖1，聚光鏡由拋物面主反射鏡1、副反射鏡2組成，副反射鏡2由三個支架支撐，拋物面主反射鏡I將太陽光近似均勻地反射到副反射鏡2上，副反射鏡2再將光進(jìn)一步反射集中并聚焦到斯特林發(fā)動機(jī)熱腔3底部的凹坑內(nèi)(主反射鏡和副反射鏡的結(jié)合使用使得接受太陽光的總面積較單反射鏡增大)，工質(zhì)被加熱，工質(zhì)采用空氣，熱腔3的外壁設(shè)有氧化鋁陶瓷材料耐高溫保溫層4，配氣活塞5與冷腔6中的動力活塞7作往復(fù)直線運動，通過連桿機(jī)構(gòu)帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子9相對于發(fā)電機(jī)定子10高速旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)光能一熱能一電能的轉(zhuǎn)化。機(jī)構(gòu)中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子9同時也充當(dāng)斯特林發(fā)動機(jī)的慣性飛輪。結(jié)合外部蓄電池實現(xiàn)電能存儲。
[0023]將螺旋金屬管8焊接在斯特林發(fā)動機(jī)冷腔6的外壁上，實現(xiàn)緊密接觸，利于熱傳導(dǎo)。螺旋金屬管8通過軟管與PPR管道與保溫儲水箱11連通，除螺旋金屬管8外的其它外露管道采用柔軟保溫材料包裹與空氣實現(xiàn)隔熱(圖1中未畫出)。
[0024]保溫儲水箱11的位置應(yīng)高于發(fā)電機(jī)位置，其內(nèi)設(shè)水溫傳感器12、水位傳感器13及通氣口 14。注水時，上水電磁閥Vl打開，冷水經(jīng)上水電磁閥Vl注入保溫儲水箱11，水位到達(dá)水位傳感器位置后上水電磁閥Vl關(guān)閉，注水結(jié)束；發(fā)電系統(tǒng)運行時，冷水電磁閥V2和熱水電磁閥V3打開，由于冷腔6對螺旋金屬管8的加熱作用，使冷水從保溫儲水箱11流出經(jīng)冷水電磁閥V2、螺旋金屬管8、熱水電磁閥V3流回保溫儲水箱11，需要熱水時只要打開手動放水閥V5放水即可。
[0025]若經(jīng)水溫傳感器12測定水溫達(dá)到預(yù)設(shè)值(如90° )，冷水電磁閥V2和熱水電磁閥V3關(guān)閉，泄壓電磁閥V4打開，使螺旋金屬管8內(nèi)壓力為外界大氣壓，避免產(chǎn)生意外。
[0026]蓄電池負(fù)責(zé)斯特林發(fā)動機(jī)的啟動供電和太陽光自動跟蹤裝置的供電以及各電磁閥的供電電能。
[0027]本發(fā)明中的發(fā)電機(jī)電壓檢測信號、蓄電池電壓檢測信號、聚光鏡仰角控制信號、聚光鏡水平轉(zhuǎn)角控制信號、水溫控制信號用于控制電動機(jī)驅(qū)動，電磁閥驅(qū)動，并最終保證斯特林發(fā)動機(jī)正常工作。
[0028]斯特林發(fā)動機(jī)啟動電路是這樣實現(xiàn)的,如圖2所示,啟動繼電器線圈得電,啟動繼電器的常閉觸點KMl斷開，第一常開觸點KM2-1、第二常開觸點KM2-2閉合，實現(xiàn)蓄電池B給直流發(fā)電機(jī)M供電(直流發(fā)電機(jī)M此時充當(dāng)直流電動機(jī)功能)，達(dá)到預(yù)設(shè)時間后(如3秒)，啟動繼電器線圈失電，常閉觸點KMl閉合，第一常開觸點KM2-1、第二常開觸點KM2-2斷開，一次啟動過程結(jié)束，若檢測發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)已啟動則系統(tǒng)進(jìn)入對蓄電池充電狀態(tài)，否則延時加熱熱氣室(如5分鐘)再次啟動，直至發(fā)動機(jī)啟動。
[0029]太陽光自動跟蹤裝置使拋物面主反射鏡I正對太陽光，提高太陽能的接收率。[0030]本發(fā)明不僅限于上述家庭實施案例，還可以推廣到做成大規(guī)模發(fā)電儲備電能并同時制備大量生活熱水的集體生活環(huán)境、以及推廣到斯特林發(fā)動機(jī)的其它結(jié)構(gòu)和類型，即同時采用太陽能聚光鏡加熱其熱氣缸(熱腔)、用水冷卻其冷氣缸(冷腔)制備生活熱水的情況；本發(fā)明中自動跟蹤裝置的具體機(jī)械結(jié)構(gòu)形式、安裝位置，控制電路可以發(fā)生變化，但上述變形都應(yīng)在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種太陽能動力發(fā)電及熱水系統(tǒng)，其特征是，它包括聚光鏡、斯特林發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、螺旋金屬管(8)和保溫儲水箱(11)，所述聚光鏡、斯特林發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)通過支撐板(18)連接后再通過立柱(17)連接在底座(20)上，斯特林發(fā)動機(jī)的熱腔(3)位于聚光鏡的焦點附近，設(shè)置在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中心軸兩端的曲柄(16)相位相差90°，且分別通過連桿與斯特林發(fā)動機(jī)冷腔(6)內(nèi)的動力活塞(7)和熱腔(3)內(nèi)的配氣活塞(5)連接，所述螺旋金屬管(8)環(huán)繞并焊接在冷腔(6)外部，其兩端管道分別通過保溫儲水箱(11)底部的冷水電磁閥(V2)和熱水電磁閥(V3 )與保溫儲水箱(11)連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能動力發(fā)電及熱水系統(tǒng)，其特征是，所述聚光鏡包括拋物面主反射鏡(I)和副反射鏡(2)，所述拋物面主反射鏡(I)通過支撐板(18)與斯特林發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)固定在一起，所述副反射鏡(2)通過支架固定在拋物面主反射鏡(I)的焦點附近并將拋物面主反射鏡(I)聚集的太陽光進(jìn)一步聚集并反射到斯特林發(fā)動機(jī)的熱腔(3)底部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的太陽能動力發(fā)電及熱水系統(tǒng)，其特征是，所述保溫儲水箱(11)的下部設(shè)置有上水電磁閥(VI)、手動放水閥(V5)和泄壓電磁閥(V4);保溫儲水箱(11)通過上水電磁閥(Vl)與水源連接并通過手動放水閥(V5)向外供應(yīng)生活熱水，所述泄壓電磁閥(V4)的一端接在螺旋金屬管(8)與熱水電磁閥(V3)之間的管路上，另一端與大氣相通。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的太陽能動力發(fā)電及熱水系統(tǒng)，其特征是，所述保溫儲水箱(11)的上部設(shè)置有通氣口( 14)，內(nèi)部設(shè)置有水溫傳感器(12)和水位傳感器(13)，所述水溫傳感器(12)安裝在保溫儲水箱(11)內(nèi)壁的下部，所述水位傳感器(13)安裝在保溫儲水箱(11)內(nèi)壁的上部。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太陽能動力發(fā)電及熱水系統(tǒng)，其特征是，構(gòu)成中還包括太陽光自動跟蹤裝置，所述太陽光自動跟蹤裝置包括聚光鏡水平轉(zhuǎn)角控制裝置(19)和聚光鏡仰角控制裝置(15)，所述聚光鏡水平轉(zhuǎn)角控制裝置(19)安裝在立柱(17)與底座(20)之間，所述聚光鏡仰角控制裝置(15)安裝在立柱(17)與支撐板(18)之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太陽能動力發(fā)電及熱水系統(tǒng)，其特征是，構(gòu)成中還包括蓄電池(B )、直流變換器(DC/DC)和啟動繼電器，所述直流變換器(DC/DC)的輸入端經(jīng)啟動繼電器的常閉觸點(KMl)接發(fā)電機(jī)(M)的輸出端，其輸出端給蓄電池(B)充電，所述蓄電池(B)的正極和負(fù)極分別經(jīng)啟動繼電器的兩個常開觸點與發(fā)電機(jī)(M)的正極和負(fù)極連接，啟動繼電器控制發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的太陽能動力發(fā)電及熱水系統(tǒng)，其特征是，所述斯特林發(fā)動機(jī)的熱腔(3)的外部包覆有耐高溫保溫層(4)。
【文檔編號】F02G1/055GK103939307SQ201410163249
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月23日
【發(fā)明者】劉尚坤, 唐貴基, 范孝良, 何玉靈, 龐彬 申請人:華北電力大學(xué)（保定）